DCDC電源變換器的設(shè)計(jì)與制作

1、南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)技術(shù)報(bào)告 DC-DC電源變換器的設(shè)計(jì)與制作 綜合實(shí)訓(xùn)技術(shù)報(bào)告 組別： 成員：班級(jí)： 指導(dǎo)老師： 提交日期：目錄目錄 2概要 31、課題內(nèi)容及求 42、設(shè)計(jì)方案及原理圖 53、電路實(shí)物圖及PCB覆銅面 134、元器件選擇 165、芯片資料 206、參考資料及網(wǎng)站 277、致謝 27第一章：概要DC-DC電源變換器將一個(gè)固定的直流電壓變換為可變的直流電壓，這種技術(shù)被應(yīng)用于無軌電車，地鐵列車，電動(dòng)車的無級(jí)變速和控制，同時(shí)使上述控制獲得加速平穩(wěn)，快速響應(yīng)的性能，并能同時(shí)收到節(jié)約電能的效果。開關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主要地位，為了以更低的功耗獲得更高的速度和更

2、加的性能，半導(dǎo)體器件正在向1V工作電壓發(fā)展，這也對(duì)DC/DC變換器提出了更高的要求。除了需要增添更多的功能外，還需要延長(zhǎng)電池的壽命，并縮小系統(tǒng)體積。目前仍以PWM型DC/DC產(chǎn)品為主流產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)對(duì)一種新穎的DC/DC變換器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，開關(guān)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輸入為12V，輸出為+5V/0.8A和28V/0.5A的集成DC/DC變換器MC34063。線性部分實(shí)現(xiàn)輸入12V，輸出分別為5V/1A、29V/0.3A、3.3V/0.5A。 課題內(nèi)容及求課題基本內(nèi)容內(nèi)容：輸入電壓12V±10%12V/2A開關(guān)切換開關(guān)電源28V/0.2A5V/0.8A線性電源5V/1A3.3V/0.5A

3、2V/9V課題要求：1、 用開關(guān)切換的方式實(shí)現(xiàn)DC/DC開關(guān)電源和DC/DC線性電源。2、 DC/DC開關(guān)電源輸出電壓要求: 28V/0.5A，紋波0.28Vpp(Vpp);5V/0.8A,紋波0.05Vpp(1%) 電壓調(diào)整率2%，負(fù)載調(diào)整率2%，效率70%。3、DC/DC線性電源輸出電壓要求：5V/1A紋波25mVpp(0.5%) 3.3V/0.5A紋波17.5mV(0.5%) 29V/0.3A紋波45mV(0.5%) 電壓調(diào)整率5%， 負(fù)載調(diào)整率5%， 效率30% 。 4、設(shè)計(jì)需考慮電路結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔，材料成本低，調(diào)試的方便。 設(shè)計(jì)方案及原理圖設(shè)計(jì)方案1：電路優(yōu)點(diǎn)：電路采用集成芯片，輸出電壓

4、精度高，穩(wěn)定度高，電路相對(duì)簡(jiǎn)單。電路缺點(diǎn)：由于電路采用集成芯片，所以電路中的各個(gè)分立元件參數(shù)不容易確定。設(shè)計(jì)方案2：電路優(yōu)點(diǎn)：電路各元件參數(shù)比較容易計(jì)算，電路容易計(jì)算。電路缺點(diǎn)：電路較復(fù)雜，輸出電壓精確度不高，不穩(wěn)定。（由于采用的是分立元件，電路無集成性）最終方案：采用設(shè)計(jì)方案1，因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案1比較符合課題要求的第四條且電路的設(shè)計(jì)容易調(diào)試，電路簡(jiǎn)單明了。若采用方案2，則電路分立元件較多比較復(fù)雜，焊點(diǎn)多，容易出現(xiàn)各種問題，調(diào)試不方便。如下圖： 原理圖根據(jù)要求可設(shè)計(jì)電路如圖：各電路部分:1、線性電路部分：詳細(xì)設(shè)計(jì)過程：3、 開關(guān)電源部分：28V輸出5V輸出詳細(xì)設(shè)計(jì)過程：電路中Rw1，Rw2分別為功

5、率電阻，將它們接在開關(guān)電源的輸出端做為其負(fù)載，便于測(cè)量。 電路實(shí)物圖及覆銅面電路實(shí)物圖如下：一、PCB電路裝配流程：1、 首先裝配貼片元件；2、 裝配電阻、發(fā)光二極管、芯片底座、二極管、電源插座（都是插裝式元件）；3、 裝配電解電容（按高低順序裝配，方便焊接）；4、 裝配芯片LM7805、LM317（先裝配散熱器，然后根據(jù)散熱器上的螺絲扣對(duì)應(yīng)焊接芯片）。二、焊接過程注意事項(xiàng):1、 焊接貼片元件時(shí)先在其中一個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的焊盤上鍍錫，然后用鑷子夾著焊接上其中以管腳，再焊接令一管腳；2、 注意不同元件的焊接方式，防止虛焊，漏焊；3、 焊接過程中要注意烙鐵頭的衛(wèi)生，若烙鐵頭很臟，會(huì)影響電路的焊接質(zhì)量，更

6、容易引起漏焊，焊接時(shí)要用濕海綿不停地擦拭烙鐵頭；4、 焊接一個(gè)元器件的時(shí)間不能超過3秒，否則會(huì)引起元器件的損傷。另外焊接時(shí)焊錫不宜過多，不僅會(huì)引起焊盤的凸起還會(huì)影響電路的焊接質(zhì)量。5、 一般選30-60W外熱式電烙鐵，1mm以下含松香焊錫，烙鐵頭必須清潔，可在含水海綿上擦拭，不可用硬物刮擦。焊接時(shí)，烙鐵頭應(yīng)同時(shí)接觸器件引腳及電路板，再送入焊錫。三、電路板調(diào)試過程：1、 先用萬用表檢測(cè)電路中是否存在短路，斷路問題。元件是否安裝正確。開關(guān)通路，斷開是否正常。2、 接通電源，閉合相應(yīng)開關(guān)用萬用表測(cè)試輸出電壓，電流是否達(dá)到要求。3、 連接示波器，測(cè)試紋波電壓、電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率的數(shù)值。四、調(diào)試過程

7、中注意事項(xiàng)：1、 用萬用表測(cè)試通斷時(shí)，禁止接通電源；2、 調(diào)試前應(yīng)確定所有接地是否連接在了一起；3、 應(yīng)在斷開電源的情況下更換元器件；4、 元器件的引腳留取不宜過長(zhǎng)，正常留取，否則電路測(cè)試過程中容易引起電路短路。PCB覆銅面：由于是采用雙面板，所以電路的覆銅面有兩張。圖如下紅色焊接面（主要是貼片元件）藍(lán)色覆銅面（主要是插裝元器件元器件選擇 DC-DC電源變換器的元器件的選擇1、電容：電容是開關(guān)電源中常用的元件，它與電感一樣也是儲(chǔ)存電能和傳遞電能的元件。但對(duì)頻率的特性卻剛好相反。應(yīng)用上，主要是“吸收”紋波，具平滑電壓波形的作用。實(shí)際上的電容并不是理想的元件。電容器由于有介質(zhì)、接點(diǎn)與引線，形成一個(gè)

8、等效串聯(lián)內(nèi)電阻ESR。這種等效串聯(lián)內(nèi)電阻在開關(guān)電源中小信號(hào)控制上，以及輸出紋波抑制的設(shè)計(jì)上，起著不可忽視的作用。另外電容等效電路上有一個(gè)串聯(lián)的電感，它在分析電路器濾波效果時(shí)非常重要。有時(shí)加大電容值并不能使電壓波形平直，就是因?yàn)檫@個(gè)串聯(lián)寄生電感起著副作用。一般在選用濾波電容時(shí)常用的電容耐壓值有6.3V,10V,16V,25V,35V,50V,100V等等。選用時(shí)根據(jù)要求選用。常用的去耦電容有0.1uF，0.01uF。2、電阻：電阻（Resistance，通常用“R”表示）是所有電路中使用最多的元件之一。在物理學(xué)中，用電阻來表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大

9、。不同的導(dǎo)體，電阻一般不同，電阻是導(dǎo)體本身的一種特性。電阻元件是對(duì)電流呈現(xiàn)阻礙作用的耗能元件。因?yàn)槲镔|(zhì)對(duì)電流產(chǎn)生的阻礙作用，所以稱其該作用下的電阻物質(zhì)。電阻將會(huì)導(dǎo)致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。電阻元件的電阻值大小一般與溫度，材料，長(zhǎng)度，還有橫截面積有關(guān)，衡量電阻受溫度影響大小的物理量是溫度系數(shù)，其定義為溫度每升高1時(shí)電阻值發(fā)生變化的百分?jǐn)?shù)。電阻的主要物理特征是變電能為熱能，也可說它是一個(gè)耗能元件，電流經(jīng)過它就產(chǎn)生內(nèi)能。電阻在電路中通常起分壓、分流的作用。對(duì)信號(hào)來說，交流與直流信號(hào)都可以通過電阻。選擇電阻時(shí)要注意電阻的功率大小，電路中最常用的電阻功率有1/8W、1/4W

10、、1/2W。大功率電阻有：1W、2W、5W、10W等等。甚至在不同的場(chǎng)合會(huì)有更大功率的電阻。一般在電路中的普通最多的是0.25W的，在較為復(fù)雜的電路中普通電阻常用貼片電阻。3、電感:電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流，電壓相位不同，因此理論損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件，也常與電容公用在輸入濾波器和輸出濾波器上，用于平滑電流，也稱它為扼流圈。其特點(diǎn)是流過它上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于“磁通連續(xù)性”，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰波。電感符號(hào)：L 電感單位：亨（H）、毫亨（mH）、微亨（H），換算關(guān)系為：1H=103mH=106H=109nH。 換算：數(shù)值X1

11、0的n次方 如103 即為10X10的三次方nh 為10uh 除此外還有一般電感和精密電感之分 一般電感：誤差值為20%，用M表示；誤差值為10%，用K表示。 精密電感：誤差值為5%，用J表示；誤差值為1%，用F表示。 如：100M，即為10H，誤差20%。色環(huán)電感的讀法：棕 紅 橙 黃 綠 藍(lán) 紫 灰 白 黑 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 誤差代表：金 銀+/-5% +/-10% 如果色環(huán)分別為黃紫紅金=472=47*102UH=4.7MH也就是ABCD中AB是有效數(shù)值，C代表10的冪次方，D代表誤差。電感的計(jì)算公式： L=(k*0*s*N2*S)/l 其中 0 為真空磁導(dǎo)率=4*

12、10(-7)。（10的負(fù)七次方） s 為線圈內(nèi)部磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率，空心線圈時(shí)s=1 N2 為線圈圈數(shù)的平方 S 線圈的截面積，單位為平方米 l 線圈的長(zhǎng)度， 單位為米 k 系數(shù)，取決于線圈的半徑（R)與長(zhǎng)度(l)的比值。由于本電路采用的是繞制電感，所以對(duì)于繞制電感有以下知識(shí)點(diǎn)：一、一般的材料：漆包線、模具（木塊和夾板）、棉紗線、絕緣紙（例如黃蠟抽之類）、鐵芯材料、絕緣漆、工具則有繞線機(jī)、烘干機(jī)。二、在制作分頻器電感前必須滿足兩點(diǎn)點(diǎn)要求： 1、線圈直流電阻要小, 小到揚(yáng)聲器阻抗的十分之一以下。線徑粗細(xì)要適宜，若太細(xì)，直流電阻偏大會(huì)消耗過多的功率，反之線徑太粗會(huì)給繞制帶來困難,，體積也大,，一般選

13、線徑0.8-1.5mm。 2、 電感線圈的品質(zhì)因素Q值要大于10以上, 驗(yàn)算方法由下文給出。在繞制時(shí)要注意密繞緊排。三、繞制電感的步驟：1、骨架尺寸的選取。如圖1：為線圈骨架的內(nèi)徑；為骨架軸長(zhǎng)（不能超過的5-6倍）；為線圈厚度；為線圈平均直徑，。圖1 線圈骨架示意圖 先假設(shè)骨架具體規(guī)格, 然后根據(jù)下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算匝數(shù)N: 式中取，其余參數(shù)取。 2、選漆包線。線徑的經(jīng)驗(yàn)公式為： 式中為繞線的緊密系數(shù)，一般取1.1-1.3。 3、計(jì)算所繞線圈的實(shí)際厚度。計(jì)算后與假設(shè)的值相差較大，應(yīng)修正骨架的或值，重復(fù)步驟1-3的計(jì)算。 4、估算導(dǎo)線總長(zhǎng)度。 5、驗(yàn)算線圈的值 式中為漆包線每千米的直流電阻，為繞制導(dǎo)

14、線總長(zhǎng)的直流電阻值。值應(yīng)滿足，否則另選漆包線規(guī)格重新計(jì)算。 6、復(fù)算繞制好的線圈電感量, 誤差在內(nèi)就可以.4、開關(guān)管：無論哪一種DC/DC變換器主回路使用的元件只是電子開關(guān)、電感、電容。電子開關(guān)只有快速地開通、快速地關(guān)斷這兩種狀態(tài)。只有快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換引起的損耗才小，目前使用的電子開關(guān)多是雙極型晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管，逐步普及的有IGBT管，還有各種特性較好的新式的大功率開關(guān)元件。芯片資料LM7805:LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器，一般使用的是TO-220封裝，能提供DC 5V的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣，內(nèi)含過流和過載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)能持續(xù)提供1A的電流，如果使用外圍器件，它還能提供不同的電壓和電

15、流。LM7805引腳圖（管腳圖）7805是常用的三端穩(wěn)壓器件，顧名思義05就是輸出電壓為5v，還可以微調(diào)，7805輸出波紋很小。(1) 集成三端穩(wěn)壓器根據(jù)穩(wěn)定電壓的正、負(fù)極性分為78×××，79×××系列。附圖給出了正、負(fù)穩(wěn)壓的典型電路。正、負(fù)穩(wěn)壓7805電路(2) 三端穩(wěn)壓器的型號(hào)規(guī)格和管腳分布。附表1 三端穩(wěn)壓器輸出電流字母表示法例如：78M05三端穩(wěn)壓器可輸出+5 V、05 A的穩(wěn)定電壓；7912三端穩(wěn)壓器可輸出 12V、1A的穩(wěn)定電壓。 (3) 外形及管腳分布，如附圖1-25所示。 lm7805典型應(yīng)用電路圖:2.芯片MC34

16、063 MC34063是一塊單片DC/DC變換控制電路，內(nèi)含直流到直流變換起所要求的主要功能。這些功能有：帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓源、比較器、帶自激勵(lì)電流限制的占空比可控振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)等。該電路專為降壓、升壓和倒相應(yīng)用所設(shè)計(jì)的，應(yīng)用時(shí)外圍元器件少，有低靜態(tài)電流、短路電流限制。MC34063集成電路主要特性：輸入電壓范圍：2、540V 輸出電壓可調(diào)范圍：12540V ，輸出電流可達(dá)：15A ，工作頻率：最高可達(dá)100kHz 。內(nèi)部電路圖：1腳：開關(guān)管T1集電極引出端；2腳：開關(guān)管T1發(fā)射極引出端；3腳：定時(shí)電容ct接線端；調(diào)節(jié)ct可使工作頻率在100100kHz范圍內(nèi)變化；4腳：電

17、源地；5腳：電壓比較器反相輸入端，同時(shí)也是輸出電壓取樣端；使用時(shí)應(yīng)外接兩個(gè)精度不低于1的精密電阻；6腳：電源端；7腳：負(fù)載峰值電流（Ipk）取樣端；6，7腳之間電壓超過300mV時(shí)，芯片將啟動(dòng)內(nèi)部過流保護(hù)功能；8腳：驅(qū)動(dòng)管T2集電極引出端。典型電路;3、芯片LM317 lm317是可調(diào)節(jié)3端正電壓穩(wěn)壓器，在輸出電壓范圍1.2伏到37伏時(shí)能夠提供超過1.5安的電流，此穩(wěn)壓器非常易于使用。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計(jì)算，Vo=1.25（1+R2/R1）。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。 LM317穩(wěn)壓塊的輸出電

18、壓變化范圍是Vo=1.25V37V（高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊如LM317HVA、LM317HVK等，其輸出電壓變化范圍是Vo=1.25V45V），所以R2/R1的比值范圍只能是028.6。 在應(yīng)用中，為了電路的穩(wěn)定工作，在一般情況下，還需要接二極管作為保護(hù)電路，防止電路中的電容放電時(shí)的高壓把317燒壞。要解決317穩(wěn)壓塊最小穩(wěn)定工作電流的問題，可以通過設(shè)定R1和R2阻值的大小，而使317穩(wěn)壓塊空載時(shí)輸出的電流大于或等于其最小穩(wěn)定工作電流，從而保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。此時(shí)，只要保證Vo/（R1+R2）1.5mA，就可以保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。上式中的1.5mA為317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流。當(dāng)然，只要能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作，Vo/（R1+R2）的值也可以設(shè)定為大于1.5mA的任意值。經(jīng)計(jì)算可知R1的最大取值為R10.83K。又因?yàn)镽2/R1的最大值為28.6。所以R2的最大取值為R223.74K。在使用317穩(wěn)壓塊的輸出電壓計(jì)算公式計(jì)算其輸出電壓時(shí)，必須保證R10.83K，R223.74K兩個(gè)不等式同時(shí)成立，才能保證317穩(wěn)壓塊在空載時(shí)能夠穩(wěn)定地工作。實(shí)際應(yīng)用電路圖如下4、ASM1117：AMS1117系列穩(wěn)壓器有可調(diào)版與多種固定電壓版，設(shè)計(jì)用于提供1A輸出電流且工作壓差可低至1V。在最大輸出電流時(shí)，AMS1117器